為什么溫度穩(wěn)定性在QCM測量中至關(guān)重要

實現(xiàn)可靠和可重現(xiàn)的QCM測量的關(guān)鍵因素之一是溫度穩(wěn)定性。但是為什么穩(wěn)定的溫度如此重要呢?溫度的變化會如何影響你的檢測?在這里，我們將闡述在QCM測量中造成溫度波動原因及其對測試結(jié)果的影響。
不受控制的溫度變化將給測量結(jié)果帶來不可預測的影響
可以說，任何QCM測量的目的都是研究和評估某種表界面相互作用現(xiàn)象。這種相互作用是通過共振頻率來表征的。結(jié)合耗散因子，可以更好地反映質(zhì)量和結(jié)構(gòu)變化的信息。然而，除了待研究的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)變化會引起QCM信號的變化外，還有其他因素也會影響QCM信號，其中一個主要因素就是溫度。因此，在測量過程中溫度穩(wěn)定性不足會在數(shù)據(jù)中引入與溫度相關(guān)的偽信號，最終將無法確定有多少測量信號是源自于溫度的變化或是被研究的表面相互作用。
影響QCM信號的溫度相關(guān)參數(shù)
常見的溫度誘導效應有三個主要來源。溫度的變化會改變:
1) 固有傳感器的諧振頻率
2) 本體溶液的粘度和密度
3) 安裝應力

1）固有諧振頻率的變化
基于石英的固有性質(zhì)，QCM芯片的諧振頻率與溫度有關(guān)。具體的f 和T關(guān)系隨石英晶體切割的變化而變化。所謂的AT切割，是大多數(shù)QCM表面科學相關(guān)應用的標準切割方式。與其他石英晶體切割相比，AT切割在室溫附近的溫度系數(shù)很小。然而，即使是AT切割晶體，諧振頻率的溫度依賴性仍然很大，溫度變化對QCM測量有很大影響。
另一個源自石英溫度變化的間接協(xié)同變化因素是電路中參考石英晶體的諧振頻率的變化。參考晶體也由石英制成，也會很大程度受到源自電路溫度變化的影響。如果電路暴露在大幅度的溫度變化中，這將直接改變測量的頻率。設計精良的電子設備則采用了一種所謂的“恒溫晶體振蕩器”(OCXO)，這種振蕩器使參考石英晶體保持在恒定溫度(通常遠高于室溫)，以避免受到環(huán)境溫度變化的影響。

2）本體溶液性質(zhì)的變化
QCM技術(shù)對本體溶液性質(zhì)的變化非常敏感。大多數(shù)液體的粘度和密度都與溫度有關(guān)，如果這些性質(zhì)發(fā)生變化，將直接影響測量到共振和耗散讀數(shù)。

3）安裝應力的變化
由O圈和觸點傳感器等引起的芯片安裝應力總是會或多或少的存在。共振頻率會受到這些應力的影響,任何壓力的變化將引起f值和d值的變化，因此溫度變化可能改變例如O圈的直徑和彈性性質(zhì)以及測量室的尺寸(雖然很微量,但仍然存在)。因此，溫度的變化可能導致測量響應中出現(xiàn)應力引起的偽信號。對于微小的溫度T值變化，這是不太可能發(fā)生的，因此大家一般認為相比固有傳感器諧振頻率和本體溶液的粘度和密度變化的影響，應力的影響更小。但是如果確實發(fā)生了，那就非常嚴重了。并且與其他兩個因素不同的是，這種影響是不可逆的。

溫度引起的偽信號會是什么樣的？
總的來說，根據(jù)溫度變化的性質(zhì)和起源，產(chǎn)生的偽信號會以不同的方式表現(xiàn)出來。例如，取決于變化是快還是慢，以及它們是來自于樣本還是環(huán)境。例如，如果您在室溫下測量，然后直接使用冰箱中的低溫樣品，則可能會發(fā)生由于樣品溫度變化而引起的變化�；�本上，這樣的溫度變化會引起信號變化，出現(xiàn)的信號峰可能非常大，但通常它們會隨著樣品溫度的平衡而消失，并返回到之前的值。另一方面，環(huán)境溫度的變化將產(chǎn)生信號的長期變化，導致被認為是基線漂移。溫度引起的安裝應力的變化既可以是樣品溫度變化的結(jié)果，也可以是環(huán)境溫度變化的結(jié)果。它們通常表現(xiàn)為一種跳躍或類似階梯式的信號變化，而不會返回到以前的基線。

溫度引起的偽信號有多大？
那么我們討論的是什么程度的失真量呢?與溫度相關(guān)的偽信號的大小取決于幾個因素，比如：您是在液體還是空氣中測量？您在使用什么液體？實驗運行的溫度是多少？當然還有溫度波動的幅度大小和持續(xù)時間。由三種根本原因中的任何一種引起的溫度偽信號都可以是幾個Hz/°C，見圖1。因此，要達到具有亞Hz靈敏度的可靠測量，就必須在百分之一的溫度水平上保持長期的溫度穩(wěn)定性。

圖1：頻率、耗散因子與測量溫度的函數(shù)。芯片上涂有一層聚苯乙烯薄膜，測量是在空氣中進行，溫度范圍40 - 150°C。在這種情況下，由于基體流體是氣體，主要的溫度效應來自于傳感器諧振頻率的溫度依賴性。耗散讀數(shù)的小跳躍是由于所謂的活性下降，但不在本文的討論范圍內(nèi)。

結(jié)論：
為了獲得可靠的、可重現(xiàn)的QCM數(shù)據(jù)，必須確保穩(wěn)定的測量溫度。不僅僅是由于石英的固有性質(zhì)，QCM共振頻率也會隨著溫度的變化而變化；而且溫度變化也會引起本體溶液性質(zhì)的變化；此外，溫度的變化可能會改變QCM傳感器的安裝應力，這將會給測量信號帶來不可控的影響。因此，根據(jù)測量裝置和條件的不同，不受控制的溫度變化可能導致測量數(shù)據(jù)中的一個或多個偽信號，進而影響整個研究系統(tǒng)的分析。
 
如果想要了解更多和QCM相關(guān)的重要參數(shù)信息請附件中的指南: